CN107838329A - 螺旋压缩偏心弹簧的制作工艺及其弹簧产品 - Google Patents

螺旋压缩偏心弹簧的制作工艺及其弹簧产品 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种螺旋压缩偏心弹簧的制作工艺及其弹簧产品，属于弹簧制作工艺技术领域，包括弹簧绕制，通过计算弹簧临圈外径尺寸的差异，编制弹簧绕制程序，通过电脑控制成型，制作成临圈尺寸交错的弹簧；弹簧回火，根据要求的弹簧的压并高度，经过计算，弹簧成型通过掌控弹簧外径尺寸的变形量，掌控弹簧材料热处理以后的尺寸变形规律，对绕制的弹簧设定相应回火温度和回火时间，使弹簧自然回火形成外径尺寸有序交错的偏心弹簧，在不改变原设计材料线经、外径、圈数的前提下，能够有效降低弹簧产品的压并高度增加工作行程和负荷。

Description

螺旋压缩偏心弹簧的制作工艺及其弹簧产品
技术领域
本发明涉及一种螺旋压缩偏心弹簧的制作工艺及其弹簧产品，属于弹簧制作工艺技术领域。
背景技术
弹簧发展已有200多年的历史，根据各种弹簧的使用环境和使用要求不同，弹簧形状也各不相同。目前在各种标准、文献、资料上对于弹簧介绍也是圆柱形、截锥形、鼓形弹簧，等.弹簧使用过程中客户最关注的就是弹簧性能--负荷，弹簧负荷又与弹簧刚度有密不可分的关系，也就是弹簧负荷＝弹簧刚度*弹簧工作行程。
弹簧刚度固定的情况下，目前弹簧最大工作范围是弹簧工作到各圈接触，由于各圈已经并紧，并紧后弹簧就失去了弹性特性，无法继续发挥弹簧的作用，一款弹簧如何增加弹簧的工作行程，增加弹簧的负荷，进而满足总成对于更高负重的要求，尤其是在弹簧安装空间有限，弹簧工作行程有限的前提下，同一款弹簧如何增加工作行程，获得更广泛的使用范围，是我们弹簧制造者需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种螺旋压缩偏心弹簧的制作工艺及其弹簧产品，在不改变原设计材料线经、外径、圈数的前提下，能降低压并高度增加工作行程和负荷。
本发明所述的螺旋压缩偏心弹簧的制作工艺，包括以下工序：
第一步，弹簧绕制，通过计算弹簧临圈外径尺寸的差异，编制弹簧绕制程序，通过电脑控制成型，制作成临圈尺寸交错的弹簧；
第二步，弹簧回火，根据要求的弹簧的压并高度，经过计算，弹簧成型通过掌控弹簧外径尺寸的变形量，掌控弹簧材料热处理以后的尺寸变形规律，对绕制的弹簧设定相应回火温度和回火时间，使弹簧自然回火形成外径尺寸有序交错的偏心弹簧；
第三步，磨簧，退火后对弹簧两端面磨削，磨平弹簧的端圈；
第四步，喷丸，弹簧的喷丸强化处理采用二次喷丸技术，以滚动式抛丸方式进行；
第五步，低温定型处理；
第六步，立定处理，通过气动压簧机设定压力进行全压并处理；
第七步，负重检测，通过拉压试验机进行负荷全检；
第八步，防锈处理；
第九步，全检处理，包装入库。
弹簧绕制通过计算弹簧临圈外径尺寸的差异，编制弹簧绕制程序，通过电脑控制成型，制作成临圈尺寸交错的弹簧，进而降低弹簧的压并高度，增加弹簧工作行程，使弹簧获得更广泛的使用范围；改进常规弹簧绕制方法，根据客户对弹簧的负荷和压并高度要求，经过计算，控制弹簧临圈之间的尺寸差异，形成外径尺寸有序交错的螺旋压缩偏心弹簧，降低弹簧的压并高度，获得更广泛的使用范围；根据客户要求弹簧的压并高度，经过计算，弹簧成型通过掌控弹簧外径尺寸的变形量，掌控弹簧材料热处理以后的尺寸变形规律，对绕制的弹簧设定相应回火温度和回火时间，使弹簧自然回火形成外径尺寸有序交错的偏心弹簧；
回火的主要目的是消除弹簧在成形过程中材料变形而产生的内应力，由于弹簧每圈大、小外径尺寸间的尺寸差异而卷制的弹簧，自然状态放入回火炉中进行热处理，由于前期卷簧时已经将弹簧卷制外径尺寸有序交错的偏心压缩弹簧，卷制后自然形成外径偏心状态的弹簧经过热处理去除应力，由于材料本身特性，弹簧圈数略有增加，弹簧绕制时外径尺寸差异已经计算定型，圈数、压并高度也已经是卷簧时就已经确定的了，热处理后不会发生其他变化。
所述的弹簧绕制工序中弹簧临圈绕制动作分成两步骤进行，通过电脑程序控制卷簧机送料，具体为弹簧成型送料由卷簧机外径起点开始动作，在大外径处送料1.5圈，送料达到送料1.5圈的过程中，节距由原点位置推送到我们设定的位置点，然后节距在返回原点的过程中，再进行小外径处送料0.5圈，这样算是完成了两圈偏心弹簧的绕制，可以得出外径尺寸差异的弹簧。再进行大外径处送料1.5圈，小外径处送料0.5圈，大小外径之间反复循环送料，直至完成符合图样要求的圈数。由于大、小外径间的尺寸差异，弹簧卷制出来即可成为临圈尺寸有序变化的螺旋压缩偏心弹簧。
所述的弹簧绕制工序中计算弹簧临圈外径尺寸的差异包括根据要求的弹簧的压并高度计算出弹簧的理论压并高度，根据理论压并高度、弹簧工作高度以及钢丝线径计算出弹簧小圈的偏移量，根据弹簧小圈的偏移量和弹簧的实际外径尺寸计算出弹簧的大圈的大外径和小圈的小外径大小，确定完毕弹簧的有效圈数、大圈的外径大小、小圈的外径大小、弹簧实际压并高度，根据弹簧成型编程及节距，调整卷簧机电脑程序。
所述的弹簧回火工序中卷制后的弹簧自然状态下放入回火炉中进行热处理，卷制后的弹簧经过热处理去除应力，卷簧时在卷簧机电脑编程上根据实际弹簧外径尺寸需求的送线单位，经过理论计算出的弹簧经过热处理后的每一圈送线长度单位变化，将热处理后的变形量提前减掉，卷出的弹簧经过热处理即可得到符合图纸的产品。
弹簧钢丝在弹簧卷绕成形的过程从材料变形的角度看，实际上是将一根原来挺直状态的钢丝通过外力强制使弹簧材料产生塑性变形，在弹簧材料发生塑性变形过程中，弹簧材料内部晶格发生扭曲和错位，因此产生很大内应力，弹簧材料卷成弹簧除了塑性变形之外同时存在一部分没有及时得到恢复的弹性变形，弹簧冷卷之后进行热处理相当于向弹簧输入能量，使弹簧在卷簧过程由于晶格扭曲和错位所产生的内应力得到大部分释放，弹簧残留的弹性变形全部恢复。宏观上表现为弹簧尺寸的变化为外径缩小，圈数增加。
所述的弹簧材料选用SWOSC-VHS油淬火材料；
所述的对绕制的弹簧设定的回火温度为430℃-450℃，回火时间为45-60分钟。
所述的弹簧材料的抗拉强度标准为：2060-2160MPa。
所述的喷丸工序中先使用大直径的钢丸一抛再使用小直径的钢丸二抛，提高喷丸强化的效果。
本发明所述的螺旋压缩偏心弹簧产品，包括弹簧本体，其特征在于：所述的弹簧本体的外径包括大外径和小外径，大外径和小外径分别形成弹簧的大圈和小圈，弹簧的大圈和小圈依次有序交错分布，形成螺旋压缩偏心弹簧。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
提供一种螺旋压缩偏心弹簧的制作工艺及其弹簧产品，增加同一款弹簧的适用范围，获得更低的压并高度和更大的使用行程，消除常规弹簧无法满足行程使用要求时，需要弹簧设计变更带来的质量风险和材料浪费，在不增加弹簧应力前提下，提高弹簧的设计和使用安全性。
附图说明
图1为本发明工艺的流程图；
图2为本发明弹簧卷制工序中大外径和小外径送料的示意图；
图3为本发明计算弹簧小圈的偏移量的示意图；
图4为本发明中弹簧产品的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明：
实施例1：
如图1所示，本发明所述的螺旋压缩偏心弹簧的制作工艺，包括以下工序：
1、了解弹簧参数，例如某款螺旋压缩偏心弹簧
材料：SWOSC-VHS
材料线径：d＝3.7㎜
弹簧尺寸(外径)：D2＝21.5㎜
弹簧总圈数：n1＝52圈
弹簧有效圈数：n＝48圈
弹簧硬度：HRC48～53
弹簧自由高度：H0＝332.8mm
弹簧工作高度：H1＝188mm
弹簧工作应力：819N/mm2
弹簧工作行程：f1＝(144.8)毫米
2、计算过程
(1)选用SWOSC-VHS油淬火材料，得材料抗拉强度标准为：2060-2160MPa
(2)计算弹簧旋绕比C＝D/d
＝4.81
其中：C为弹簧旋绕比，
D为弹簧中经，
d为弹簧钢丝线径；
(3)根据查表所得，
根据采用的材料特性，缩量计算值＝D2×(K/d)，弹簧经过热处理后外径(D2)会变小：0.17mm(≈0.2㎜)，弹簧总圈数在弹簧轴向方向增加0.589圈。
其中：D为弹簧中径，
K为弹簧曲度系数，是考虑到弹簧材料弯曲所增加的修正系数，
D为弹簧钢丝直径；
图样技术要求弹簧总圈数为52圈，预留出弹簧热处理以后的圈数变化量，由于小数点取舍以及利于圈数检查方法等问题，弹簧实际生产总圈数(n1)取51.5圈，(52-0.5＝51.5)，减去弹簧两端支撑圈4圈，实际生产的弹簧有效圈(n)为47.5圈(51.5-4＝47.5)。弹簧装配尺寸(外径)：D2＝21.5㎜实际绕簧尺寸加上0.2mm为21.7mm；理论压并高度(52-0.5)*3.7＝190.55，图纸技术要求弹簧工作高度：188mm，正常的直簧已无法满足，这样就需要设计成外径尺寸有序交错的螺旋压缩偏心弹簧。
如图2-3所示，设计小圈尺寸的过程为：根据勾股定理：
a：弹簧小圈的偏移量，
b：相近两圈钢丝的多移动量，
钢丝线径d＝3.7mm；
弹簧处于压并状态时，根据定理得a2+(3.7-b)2＝3.72，
解方程得
根据图纸技术要求工作高度为188mm理论压并高度190.55mm，弹簧总圈数52圈，弹簧相近两圈钢丝的数量为51个，每一个相近两圈钢丝多移动量为b，弹簧总的多移动量为51*b，因为图纸技术要求工作高度大于了压并高度，高度差为190.55-188＝2.55；
所以设计出来的弹簧总的多移动量要大于等于图纸技术要求的工作高度和压并高度的高度差，即不等式51b≥2.55，
将代入不等式解得，a≥0.606；
当a＝0.606的时候压并高度就等于工作高度188mm，也就是说弹簧大小外径的差值大于0.606的时候就可以满足要求小于图纸要求的压并高度；
为了安全起见，防止弹簧在工作过程中出现过载，需要预留压并高度的的安全范围，故弹簧大小圈的变化量确定为1mm，21.5㎜-1㎜＝20.5㎜，弹簧小圈外径尺寸为20.5㎜。经过计算验证，弹簧的实际压并高度190.55-(52-1)b＝183.51mm，满足弹簧压并高度要求和实际使用范围。
通过编制卷簧程序配合凸轮高低点的位置变化，就可以把直簧绕成大外径21.7mm，小外径20.7mm(经过热处理外径缩小≈0.2mm)有序交错的螺旋压缩偏心弹簧，从而满足弹簧的各项技术要求。
3、确定完毕弹簧有效圈数、外径、高度，根据弹簧成型编程及节距，调整卷簧机电脑程序：
例如：弹簧外径生产尺寸为21.5毫米，卷簧机显示弹簧单圈送线长度为50个单位(1单位＝1mm)。那么弹簧成品有效圈送线长度为：48*50＝2400个单位。
(1)减掉前面计算出来的弹簧热处理后圈数增加的变形量(52-0.5-4＝47.5)，弹簧半成品有效圈送线长度为：47.5*50＝2375个单位，(如图2所示，将在凸轮片高低点之间反复循环送料，由于大外径、小外径间的尺寸差异而卷制的螺旋压缩偏心弹簧自然状态放入回火炉中进行热处理，卷制后的弹簧经过热处理去除应力，由于材料本身特性，弹簧圈数略有增加)；
弹簧总圈数会增加(2400-2375)/47.5＝0.589圈；所以，卷簧时在卷簧机电脑编程上根据实际弹簧外径尺寸需求的送线单位，经过理论计算出的弹簧经过热处理后的每一圈送线长度单位变化，将热处理后的变形量提前减掉(0.589/47.5＝0.0124)，卷出的弹簧经过热处理即可得到符合图纸的螺旋压缩偏心弹簧产品，
(2)冷卷后的弹簧的退火温度430℃，退火的时间控制在60min。控制这个退火温度和退火时间以达到合适的去应力效果，退火控制不好，弹簧的形变系数就达不设定的要求。
(3)退火后对弹簧两端面磨削，磨平弹簧的端圈。
(4)弹簧的喷丸强化处理采用二次喷丸技术，以滚动式抛丸方式进行，先使用直径尺寸0.7mm的钢丸进行第一次抛丸30分钟，再使用直径尺寸0.6mm的钢丸进行第二次抛丸10分钟，先使用大直径的钢丸一抛再使用小直径的钢丸二抛，可以提高喷丸强化的效果。
(5)喷丸完的弹簧进行低温定型处理，设定热处理炉240℃时间30min进行低温定型。
(6)定型完的弹簧进行立定处理，通过气动压簧机设定压力6MPa进行全压并处理，通过立定处理工序可以提高弹簧的强度，增加使用寿命。
(7)负重检测，通过拉压试验机进行负荷全检。
(8)弹簧防锈处理是采用浸防锈油的方式。
(9)对弹簧进行外观全检，并包装入库。
实施例2：
如图4所示，本发明所述的螺旋压缩偏心弹簧产品，包括弹簧本体，弹簧本体的外径包括大外径和小外径，大外径和小外径分别形成弹簧的大圈和小圈，弹簧的大圈和小圈依次有序交错分布，形成螺旋压缩偏心弹簧。
采用以上结合附图描述的本发明的实施例的螺旋压缩偏心弹簧的制作工艺及其弹簧产品，提供一种弹簧在不改变原设计材料线经、外径、圈数的前提下，能降低压并高度增加工作行程和负荷。但本发明不局限于所描述的实施方式，在不脱离本发明的原理和精神的情况下这些对实施方式进行的变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种螺旋压缩偏心弹簧的制作工艺，其特征在于：包括以下工序：
第一步，弹簧绕制，通过计算弹簧临圈外径尺寸的差异，编制弹簧绕制程序，通过电脑控制成型，制作成临圈尺寸交错的偏心弹簧；
第二步，弹簧回火，根据要求的弹簧的压并高度，经过计算，弹簧成型通过掌控弹簧外径尺寸的变形量，掌控弹簧材料热处理以后的尺寸变形规律，对绕制的弹簧设定相应回火温度和回火时间，使弹簧自然回火形成外径尺寸有序交错的偏心弹簧；
第三步，磨簧，退火后对弹簧两端面磨削，磨平弹簧的端圈；
第四步，喷丸，弹簧的喷丸强化处理采用二次喷丸技术，以滚动式抛丸方式进行；
第五步，低温定型处理；
第六步，立定处理，通过气动压簧机设定压力进行全压并处理；
第七步，负重检测，通过拉压试验机进行负荷全检；
第八步，防锈处理；
第九步，全检处理，包装入库。
2.根据权利要求1所述的螺旋压缩偏心弹簧的制作工艺，其特征在于：所述的弹簧绕制工序中弹簧临圈绕制动作分成两步骤进行，通过电脑程序控制卷簧机送料，具体为弹簧成型送料由节距起点开始动作，在大外径处送料1.5圈，再进行小外径处送料0.5圈，再进行大外径处送料1.5圈，小外径处送料0.5圈，大小外径之间反复循环送料，直至完成符合图样要求的圈数。
3.根据权利要求1所述的螺旋压缩偏心弹簧的制作工艺，其特征在于：所述的弹簧绕制工序中计算弹簧临圈外径尺寸的差异包括根据要求的弹簧的压并高度计算出弹簧的理论压并高度，根据理论压并高度、弹簧工作高度以及材料线径计算出弹簧小圈的偏移量，根据弹簧小圈的偏移量和弹簧的实际外径尺寸计算出弹簧的大圈的外径和小圈的外径大小，确定完毕弹簧的有效圈数、大圈的外径大小、小圈的外径大小、弹簧实际压并高度，根据弹簧成型编程及节距，调整卷簧机电脑程序。
4.根据权利要求3所述的螺旋压缩偏心弹簧的制作工艺，其特征在于：所述的弹簧回火工序中卷制后的弹簧自然状态下放入回火炉中进行热处理，卷制后的弹簧经过热处理去除应力，卷簧时在卷簧机电脑编程上根据实际弹簧外径尺寸需求的送线单位，经过理论计算出的弹簧经过热处理后的每一圈送线长度单位变化，将热处理后的变形量提前减掉，卷出的弹簧经过热处理即可得到符合图纸的产品。
5.根据权利要求1所述的螺旋压缩偏心弹簧的制作工艺，其特征在于：所述的弹簧材料选用SWOSC-VHS油淬火材料。
6.根据权利要求1所述的螺旋压缩偏心弹簧的制作工艺，其特征在于：所述的对绕制的弹簧设定的回火温度为430℃-450℃，回火时间为45-60分钟。
7.根据权利要求1所述的螺旋压缩偏心弹簧的制作工艺，其特征在于：所述的弹簧材料的抗拉强度标准为：2060-2160MPa。
8.根据权利要求1所述的螺旋压缩偏心弹簧的制作工艺，其特征在于：所述的喷丸工序中先使用大直径的钢丸一抛，再使用小直径的钢丸二抛，提高喷丸强化的效果。
9.一种根据权利要求1-8任一所述的螺旋压缩偏心弹簧产品，包括弹簧本体，其特征在于：所述的弹簧本体的外径包括大外径和小外径，大外径和小外径分别形成弹簧的大圈和小圈，弹簧的大圈和小圈依次有序交错分布，形成螺旋压缩偏心弹簧。
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